高能粒子沉降对气辉辐射的影响及其机制研究

High-energetic particle precipitation is one of the important ways by which energy is transported from the Sun/Earth's magnetosphere to the middle and upper atmosphere. The influence of high-energetic particle precipitation on the middle and upper atmosphere is a hot spot issue in the atmosphere field. Airglow is an important tracer of atmospheric dynamics and photochemical processes. It is also a powerful tool for mesosphere and lower thermosphere detections. The subject of the response of airglow to high-energetic particle precipitation belongs to both fields of space physics and atmosphere. The investigation on this subject can improve our understanding of the influence of high-energetic particle precipitation on the middle atmosphere and solar-terrestrial coupling. However, the study on this subject is still very lack. We plan to use the observations from TIMED and Aura satellites, ground-based experiments developed by our team, and the simulations from WACCM model to study the influences of high-energetic particle precipitation on the background atmosphere and O2, OH and NO nightglow and dayglow; to study the spatial and temporal variations of the influences; to explain the physical and chemical processes by which the high-energetic particle precipitation influences the airglow emissions; to study the photochemical mechanisms of OH dayglow emission.

高能粒子沉降是能量从太阳/地球磁层传输到中高层大气的重要途径，高能粒子沉降对中高层大气的影响是大气科学研究的热点问题之一。气辉辐射是大气动力学过程和光化学过程的示踪剂，是中高层大气遥感探测的重要工具之一。气辉辐射对高能粒子沉降的响应属于空间物理和大气科学两个研究领域的交叉课题，研究结果能增进我们对高能粒子沉降对中层大气的影响以及日-地耦合和磁层-大气层耦合关系的认识。但目前对该课题的研究还很缺乏。本项目中，我们拟利用TIMED、Aura等卫星观测数据以及的地基自主气辉观测数据，结合WACCM等数值模式模拟，研究高能粒子（包括质子和电子）沉降对大气微量成分以及O2、OH以及NO夜气辉和白天气辉的影响，揭示这些影响的时空变化特征，阐明高能粒子沉降影响该气辉辐射的物理和化学过程，并通过粒子沉降事件前后的对比甄别OH白天气辉辐射的光化学机制。

高能粒子沉降是能量从太阳/地球磁层传输到中高层大气的重要途径，高能粒子沉降对中高层大气的影响是大气科学研究的热点问题之一。气辉辐射是大气动力学过程和光化学过程的示踪剂，是中高层大气遥感探测的重要工具之一。本项目主要利用TIMED/SABER卫星、GOES卫星以及其他观测数据研究了太阳质子沉降事件对中高层大气气辉辐射和相关大气微量成分的影响，揭示这些影响的时空变化特征，阐明高能粒子沉降影响该气辉辐射的物理和化学过程；研究极光粒子沉降对低热层区域氧分子红外辐射的影响，分析氧分子红外极光辐射的全球分布特征和垂直分布特征，统计分析太阳活动和地磁活动对氧分子红外极光辐射的影响。此外，研究了中纬度地区中尺度电离层行扰对气辉辐射分布的调制作用，以及中尺度电离层行扰的激发和演化过程。. 研究结果表明在太阳质子沉降事件发生期间，白天中间层区域的O2和OH气辉以及原子氧密度和臭氧密度均明显减小，减小的量值和持续时间随着纬度的升高而变大,并且这种减小在50-80公里之间比较明显。大体而言，太阳质子沉降事件越强，减小越明显。太阳质子沉降事件通过调制中间层区域的原子氧密度、臭氧密度、奇氢密度等等从而引发O2和OH气辉辐射发生改变。由于O2和OH夜间气辉主要分布在80-100公里之间，因此受到太阳质子沉降事件的影响不明显。低热层区域的氧分子红外辐射因受到极光粒子沉降的影响而增强。氧分子红外极光辐射区域随着地磁活动的增强而向赤道方向扩展；极光辐射率高度分布剖面的峰值和垂直积分强度与地磁活动正相关，与太阳活动反相关；极光辐射率高度分布剖面的峰高与地磁活动反相关，与太阳活动正相关；南、北半球极光区峰值出现的纬度区域明显不同，平均辐射强度差别不明显。此外，中尺度电离层行扰在气辉辐射的分布中有明显表现。研究结果增进了我们对高能粒子沉降对中层大气的影响以及日-地耦合和磁层-中高层大气耦合关系的认识。